Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей

Авторы патента:

G01H11/08 - с использованием пьезоэлектрических приборов

Владельцы патента RU 2308688:

Ермачков Вячеслав Владимирович (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано, в частности, в балансировочных станках, динамометрах, акселерометрах и других приборах и оборудовании. Техническим результатом изобретения является расширение температурного диапазона стабильной работы оборудования и приборов, снабженных пьезоэлектрическими датчиками, улучшение метрологических характеристик и упрощение работы пользователя. Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей заключается в том, что на первом этапе процесса нормализации производят измерение емкости пьезоэлектрического преобразователя, а на втором этапе вводят результат этого измерения в устройство нормализации, в котором осуществляется перерасчет значения силы или изгиба или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе от внешних воздействий, с учетом введенного значения емкости пьезоэлектрического преобразователя, полученного на первом этапе измерения. При этом процесс нормализации производится устройством нормализации в течение всего времени эксплуатации оборудования или прибора. 2 ил.

Широко известны пьезоэлектрические преобразователи, например, см. книги:

1. "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC", Дж.Уэбстера под редакцией У.Томпкинса, перевод с английского Ю.А.Кузьмина и к.ф. - м.н. В.М.Матвеева, - М., изд. "Мир", 1992 г., 592 с, с.396-421 [1].

2. "Электрические измерения неэлектрических величин", издание 5-е переработанное, дополненное, Л., изд. "Энергия", 1975 г., 576 с. с ил., с.272-288 [2].

3. "Sensortechnik": - /Sensorwirkprinzipen und Sensorsysteme/, Harry Herold, - Heidelberg: Hüthig, 1993, 346 с., с.47-64 [3].

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на измерении электрического заряда Q, возникающего при приложении, например, внешней силы F к пьезокерамической пластине. При этом электрический заряд Q, возникающий в пьезоэлектрическом преобразователе, пропорционален величине приложенной силы F.

Q=d·F

где d - пьезоэлектрический коэффициент (пьезомодуль), измеряемый в Кл/Н.

Известны два метода обработки сигналов от пьезоэлектрических преобразователей:

- первый метод - усиление напряжения;

- второй метод - усиление величины заряда Q.

Также известно, что пьезоэлектрические преобразователи используются широко в различных устройствах, которые эксплуатируются в довольно широком температурном диапазоне. Например, характеристики пьезоэлектрического коэффициента d (пьезомодуля) в зависимости от температуры для пьезоэлектрического материала ЦТБС-3: при изменении температуры от +20°С до +60°С (соответственно от 293°К до 333°К) значение пьезомодуля изменяется от 175 до 205 единиц, то-есть более чем на 16%.

А для материала PIC 155, например, при изменении температуры от +20°С до +60°С значение пьезомодуля изменяется более чем на 22%.

Такой разброс значений пьезомодуля в зависимости от температуры среды является в некоторых приборах просто недопустимым, например в балансировочных станках, которые относятся к высокоточному измерительному оборудованию. А в конструкции этих станков используются пьезоэлектрические преобразователи в качестве различных датчиков.

Таким образом, использование пьезоэлектрических преобразователей с низким значением относительного коэффициента изменения пьезомодуля в зависимости от температуры не всегда экономически целесообразно. То-есть для повышения стабильности пьезомодуля необходимо использовать дорогостоящие комплектующие элементы и принимать сложные схемные решения.

Пьезокерамические материалы с низким относительным коэффициентом изменения пьезомодуля от температуры имеют меньшее значение пьезомодуля, а в ценовом соотношении намного дороже, и к тому же для получения заданного значения пьезомодуля требуется соединять ряд пластин параллельно, что также ведет к значительным материальным затратам.

Например, для стабильного функционирования балансировочного станка с высокой точностью балансировки необходимо предусматривать в его конструкции устройства, гарантирующие поддержание постоянной температуры пьезоэлектрических преобразователей (датчиков). Или в противном случае пользователь станка обязан периодически производить калибровку этих датчиков через определенный промежуток времени. А это, в свою очередь, существенно снижает производительность труда.

Целью предлагаемого изобретения является за счет нового технического решения существенно расширить температурный диапазон стабильной работы оборудования и приборов, снабженных пьезоэлектрическими преобразователями-датчиками, улучшение их метрологических характеристик, а также упрощение работы пользователя на таком оборудовании.

Указанная цель и технический результат реализуются следующим образом.

Для этого предлагается способ нормализации зарядочувствительной характеристики электрических преобразователей, то-есть пьезоэлектрический модуль d пересчитывают как функцию d(t) от температуры t или приближают отклонения характеристик силы, момента, ускорения к нулю при определенной калибровочной температуре t_k, то-есть

где t₁...t₂ - заданный температурный диапазон работы пьезоэлектрического преобразователя;

F_k(t) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочной силе F_k и при температуре t;

F_k(t_k) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочной силе F_k и при температуре t_k;

М_k(t) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном моменте M_k и при температуре t;

М_k(t_к) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном моменте М_к и при температуре t_к;

а_к(t) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном ускорении а_к и при температуре t;

а_к(t_к) - значение "напряжения" с выхода датчика при калибровочном ускорении а_к и при температуре t_к.

Предлагаемый способ характеризуется тем, что на первом этапе процесса нормализации производят измерение емкости пьезоэлектрического преобразователя, а на втором этапе вводят результат(ы) этого измерения в устройство нормализации, в котором осуществляется перерасчет значения силы или изгиба или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе от внешних воздействий, с учетом введенного значения емкости пьезоэлектрического преобразователя, полученного на первом этапе измерения.

То-есть необходимо определить новое значение функции d(t), аргументом которой является температура t. Так как аргумент функции d(t) неизвестен, то его значение рассчитывают из функции c(t).

А так как емкость пьезоэлектрического преобразователя С определяют в результате измерения на первом этапе, то внутреннюю температуру t пьезоэлектрического преобразователя определяют в зависимости от емкости С.

И с учетом найденного значения температуры уменьшают или увеличивают значение пьезомодуля, то-есть фактически нормализуют (производят перерасчет) значения силы или изгиба или ускорения в зависимости от температуры.

При этом процесс нормализации производится устройством нормализации в течение всего времени эксплуатации оборудования или прибора.

Близкого аналога предлагаемому способу нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей в доступной научно-технической и патентной информации не обнаружено.

Перечень фигур на чертежах.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, то-есть схема преобразования силы или изгиба или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе, в цифровой код.

На фиг.2 - то же, но измерительная цепь вынесена за ключ управления, который имеет два положения.

Устройства преобразования по фиг.1 и 2 содержат следующие узлы. К пьезоэлектрическому преобразователю 1, обладающему собственной емкость С_П и сопротивлением R_П, подключена измерительная цепь 2, состоящая из резистора и конденсатора, которая предназначена для расширения частотного диапазона измерения.

Через ключ управления 3 подключен измеритель емкости 4, который измеряет суммарную емкость: пьезоэлектрического преобразователя 1, емкость Кабеля, емкость конденсатора измерительной цепи 2 и входящую емкость повторителя напряжения 5 с большим входным сопротивлением.

К выходу повторителя напряжения 5 подсоединен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, выход которого соединен со входом нормализатора характеристики 7, выполняющего функции нормализации d[t(c)], другой вход которого подключен к выходу измерителя емкости 4.

Нормализатор характеристики 7 выполнен программно, на выходе которого получается (вычисляется) действительное значение сигнала в виде цифрового кода, уже приведенного значения силы или изгиба или ускорения.

Преобразователь по схеме на фиг.2 отличается от преобразователя по схеме на фиг.1 тем, что использован ключ управления 8 на два положения и измеритель цепи 2 вынесен к входу повторителя напряжения 5.

Предлагаемый способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрического преобразователя осуществляют посредством устройства преобразователя по схеме на фиг.1 следующим образом.

Устройство преобразователя переводят в режим измерения емкости пьезоэлектрического преобразователя 1. Для этого, например, балансировочный станок останавливают, то-есть, чтобы электрический сигнал с выходов пьезоэлектрического преобразователя не поступал на вход схемы по фиг.1.

Далее, включают ключ управления 3 (фиг.1) и производят измерение емкостей: пьезоэлектрического преобразователя 1 (С_П); кабеля - монтажной емкости (С_К); конденсатора измерительной цепи 2 (С_ИЦ); входной емкости повторителя напряжения 5 (С_ВХ).

Общая измеренная емкость устройства преобразователя С_Х по фиг.1 является суммой перечисленных емкостей:

С_Х=С_П+С_К+С_ИЦ+С_ВХ

Так С_К, С_ИЦ, С_ВХ известны, а С_Х может быть вычислена на первом этапе измерения емкости пьезоэлектрического преобразователя 1, то из данной приведенной выше формулы вычисляем искомое значение емкости С_П пьезоэлектрического преобразователя 1.

Далее, это значение С_П вводится в нормализатор характеристики 7 (фиг.1). А затем отсоединяют ключ управления 3 и, например, балансировочный станок готов к работе.

Сам нормализатор характеристики 7 выполнен программным способом. Дополнительно в него вводится информация о значении пьезомодуля при заданной температуре и емкости пьезоэлектрического преобразователя С_П также при заданной температуре, а также значения функции зависимости абсолютного или относительного изменения значения пьезомодуля от температуры.

Перечисленные характеристики имеют конкретные значения и указаны в паспортных данных для каждого вида пьезоэлектрического преобразователя. Например, в простейшем случае характеристика нормализатора 7 будет иметь следующий вид:

где К_П - характеристика нормализатора 7;

t=f(c);

t - пересчитанное значение температуры в зависимости от емкости С пьезоэлектрического преобразователя;

U_вх.н - "входное напряжение" нормализатора характеристики 7 (код);

U_вых.н - "выходное напряжение" нормализатора характеристики 7 (код);

- относительный коэффициент изменения пьезоэлектрического модуля в зависимости от температуры.

Функционирование устройства преобразователя по фиг.2 аналогично работе устройства по фиг.1 за исключением того, что общая измеренная емкость С_Х преобразователя и пьезоэлектрического преобразователя равна сумме емкости пьезоэлектрического преобразователя 1 С_П и емкости кабеля С_К, то-есть

С_Х=С_П+С_К

и это конструктивная особенность преобразователя по фиг.2.

Так как значение емкости С_П значительно больше значения емкости С_К(С_П≫С_К), то значением емкости кабеля С_К можно пренебречь, то-есть устройство измерения емкости по фиг.2 фактически сразу измеряет значение емкости пьезоэлектрического преобразователя 1.

Если значения d(t) или c(t) неизвестны, то калибровку преобразователя по фиг.1 можно производить по следующей схеме:

1. устанавливают температуру пьезоэлектрического преобразователя 1, допустим t₁, измеряют значение емкости пьезоэлектрического преобразователя 1 С₁ при заданной температуре;

2. прикладывают к пьезоэлектрическому преобразователю калибровочное значение силы, момента или ускорения, получая на выходе АЦП 6 значение "напряжения" U₁;

3. устанавливают температуру пьезоэлектрического преобразователя 1, равную t₂, и аналогичным образом получают значения C₂ и U₂.

При нормальной работе преобразователя по фиг.1 нормализация зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрического преобразователя 1 в простейшем случае может быть выражена в виде формулы:

где К_П - характеристика нормализатора 7;

U₁ - значение "напряжения" на выходе АЦП 6 при приложении к пьезоэлектрическому преобразователю 1 калибровочного значения силы, момента или ускорения;

ΔU=U₂-U₁;

ΔC=C₂-C₁

С - емкость пьезоэлектрического преобразователя 1, измеренная до начала цикла работы преобразователя по фиг.1 или 2.

Предлагаемый способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей позволяет расширить температурный диапазон работы пьезоэлектрических преобразователей и более точно измерять фактические значения контролируемых величин на различных видах оборудования, в которых используются пьезоэлектрические преобразователи (датчики).

Литература

1. "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC", Дж.Уэбстера под редакцией У.Томпкинса, перевод с английского Ю.А.Кузьмина и к.ф. - м.н. В.М.Матвеева. - М., изд. "Мир", 1992 г., 592 с., с.396-421.

2. "Электрические измерения неэлектрических величин", издание 5-е переработанное, дополненное, Л., изд. "Энергия", 1975 г., 575 с. с ил., с.272-288.

3. "Sensortechnik": - /Sensorwirkprinzipen und Sensorsysteme/, Harry Herold, - Heidelberg: Hüthig, 1993, 346 с., с.47-64.

Способ нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрических преобразователей, характеризующийся тем, что на первом этапе процесса нормализации производят измерение емкости пьезоэлектрического преобразователя, а на втором этапе вводят результат(ы) этого измерения в устройство нормализации, в котором осуществляется перерасчет значения силы, или изгиба, или ускорения, возникающих в пьезоэлектрическом преобразователе от внешних воздействий, с учетом введенного значения емкости пьезоэлектрического преобразователя, полученного на первом этапе измерения.

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для работы в датчиках вибрации. .

Пьезоэлектрический акселерометр // 2113715

Изобретение относится к области измерительной техники, а конкретно к пьезоэлектрическим акселерометрам, в которых элементом преобразования механических колебаний в электрический сигнал является пьезоэлектрический материал и которые могут быть использованы для измерения вибрации машин.

Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь // 2104618

Способ контроля износа шлицевых соединений двигателей летательных аппаратов // 2075733

Изобретение относится к области контроля изношенности шлицевых соединений двигателей летательных аппаратов и может быть использовано для контроля изношенности шлицевых соединений других технических устройств.

Виброметр // 2046301

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в качестве виброметра. .

Устройство для измерения вибрации // 1825989

Изобретение относится к области виброметрии. .

Способ диагностики вибрационного состояния объекта // 1825988

Изобретение относится к области измерения и технической диагностики объектов различных отраслей народного хозяйства. .

Датчик вибраций // 1784090

Изобретение относится к измерительной технике. .

Ультразвуковой фазовый измеритель вибрации // 1679208

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при проведении модальных испытаний элементов сложных конструкций. .

Способ диагностирования механизмов циклического действия // 1649302

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения технического состояния механизмов циклического действия. .

Способ поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя без демонтажа с объекта контроля // 2358244

Изобретение относится к области проверки метрологических характеристик виброизмерительных преобразователей (датчиков) и определения возможности их дальнейшего использования без демонтажа с объекта эксплуатации

Датчик пульсовой волны // 2403861

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к датчику пульсовой волны

Цепь обратной связи для устойчивого к радиации датчика // 2432552

Изобретение относится к мониторингу промышленного оборудования, в частности к датчику скорости

Способ измерения амплитуды колебаний // 2490607

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к виброметрии, и может быть использовано для измерения амплитуды механических колебаний поверхностей твердых тел в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, в частности для измерения амплитуды колебаний многополуволновых излучателей переменного сечения ультразвуковых колебательных систем, используемых в составе аппаратов, предназначенных для интенсификации технологических процессов

Способ измерения мощности гидроакустического излучателя и устройство для осуществления способа // 2492431

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения мощности гидроакустических излучателей разного типа, входящих в состав гидролокаторов, систем гидроакустической связи, телеметрии, комплексов гидроакустического телеуправления и т.д., в процессе их диагностики в реальных условиях эксплуатации

Способ измерения параметров гидроакустического пьезоэлектрического преобразователя и устройство для его осуществления // 2493543

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована для определения параметров гидроакустических пьезоэлектрических преобразователей. Способ предполагает этапы, на которых формируют линейно нарастающую цифровую последовательность, преобразуют ее в тестовый управляемый аналоговый сигнал с заданной амплитудой и линейно нарастающей частотой в заданном диапазоне частот, пропускают тестовый сигнал через пьезопреобразователь, измеряют параметры его отклика (тока и напряжения), по значениям которых и по заданному алгоритму определяют амплитудно-частотную характеристику, частоты механического и электромеханического резонансов, импеданс пьезопреобразователя на этих частотах. Измеритель параметров включает устройство прямого цифрового синтеза, подключенное через усилитель мощности и через включенный последовательно с пьезопреобразователем измерительный шунт к испытуемому пьезопреобразователю. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) соединены своими выходами через интерфейс связи с компьютером, а вход АЦП через делитель напряжения подключен к выходу усилителя мощности. Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) шиной данных соединен с устройством прямого цифрового синтеза (УПЦС) и выходами АЦП, вход АЦП подключен к пьезопреобразователю и измерительному шунту. Первый, второй и третий выходы ЦСП соединены соответственно с управляющими входами АЦП и УПЦС. Технический результат: измерение параметров в автоматическом режиме, повышение точности и надежности измерений. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Система контроля вибрации и температуры с беспроводными датчиками и узел крепления пьезокерамического элемента в беспроводном датчике // 2513642

(57) Заявленная группа изобретений относится к области измерительной техники. Система характеризуется наличием базовой станции и беспроводных датчиков, выполненных с возможностью обмена информацией по радиоканалам в цифровом формате благодаря использованию уникальных серийных номеров, выполненных без возможности изменения. Каждый датчик снабжен элементом питания, а базовая станция выполнена с возможностью связи с компьютером интерфейсом RS-485 и поддерживает протокол обмена данными Modbus RTU; питание базовой станции производится по двухпроводному интерфейсу; питание датчика обеспечивается индивидуальным элементом питания; датчик выполнен с возможностью установки на объекты контроля и установлен в изолирующий бокс. Узел крепления пьезокерамического элемента в беспроводном датчике, характеризующийся тем, что он содержит основание датчика, в основании выполнено шесть крепежных отверстий с резьбой; на основании датчика расположен слой слюды; на слое слюды расположен слой медной фольги; на слое медной фольги расположены два стальных кольца с зажатым между ними за внешний край пьезокерамическим элементом; кольца совместно с двумя слоями медной фольги образуют внутренний объем чувствительного элемента; на кольцах расположен слой медной фольги; на слое медной фольги расположен слой слюды; на слое слюды расположена крышка; в крышке выполнены шесть отверстий; вся конструкция стянута шестью болтами. Технический результат - повышение помехозащищенности и достоверности измерений. 2 н. и 6 з.п. ф-лы.

Способ испытаний микропроцессорной системы управления двигателем автотранспортного средства на восприимчивость к электромагнитному излучению грозового разряда // 2514316

Изобретение относится к электрическим испытаниям электрооборудования на восприимчивость к электромагнитному воздействию. Способ испытаний микропроцессорной системы управления двигателем автотранспортного средства на восприимчивость к электромагнитному воздействию, в котором испытуемую систему управления в составе транспортного средства подвергают импульсному воздействию электромагнитного излучения с помощью генератора грозового разряда. Испытуемую систему подвергают воздействию заданного количества несинхронизированных импульсов электромагнитного излучения, при этом количество импульсов электромагнитного излучения рассчитывают из формулы. Решение позволяет более достоверно оценить электромагнитную стойкость системы управления двигателем. 1 ил.

Способ бездемонтажной поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя на месте эксплуатации // 2524743

Изобретение относится к области измерительной техники. Предварительно определяют первичное действительное значение коэффициента преобразования преобразователя, а непосредственно после установки вибропреобразователя на место эксплуатации определяют и запоминают емкость вибропреобразователя с кабелем и конструктивный коэффициент. При периодической поверке принудительные механические колебания возбуждают в поверяемом установленном на месте эксплуатации пьезоэлектрическом вибропреобразователе (ПВП) путем подачи на его электроды электрического гармонического сигнала переменной частоты. Измеряют частоты установочного резонанса и антирезонанса и емкость вибропреобразователя вместе с соединительным кабелем. Корректируют текущее значение конструктивного коэффициента ПВП по сравнению с его значением, полученным при первичной поверке. По полученным значениям параметров, отражающих текущее техническое состояние поверяемого ПВП, вычисляют его действительный коэффициент преобразования и неравномерность частотной характеристики в рабочем диапазоне частот на дату поверки. Технический результат заключается в возможности периодической поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя без демонтажа его с места установки. 1 ил., 4 табл.

Бездемонтажный способ поверки виброакустических приемников // 2538034

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для дистанционной поверки пьезоэлектрических приемников. Способ контроля заключается в подаче на дистанционные приемники, состоящие из инерционной массы, пьезоэлемента и усилителя заряда, от генератора синусоидальных колебаний тестовых сигналов различной частоты и определении отклика приемника. Затем осуществляется определение резонансной и антирезонансной частот, при которых выходной сигнал приемника достигает соответственно максимального и минимального значений. По величинам измеренных частот и коэффициента передачи усилителя определяют коэффициент преобразования приемника, динамический коэффициент электромеханической связи и коэффициент механической добротности поверяемого приемника. При этом тестовый сигнал имеет монотонно изменяющуюся частоту, а постоянная приемника определяется основе инерционной массы поверяемого приемника и емкости отрицательной связи усилителя заряда поверяемого приемника. После определения коэффициента механической добротности приемники отбраковывают при условии, что величина добротности меньше 30. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения дистанционного контроля пьезоприемников. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.